2.8%～3.2%Si對薄規(guī)格無取向硅鋼磁性能影響規(guī)律研究

程國慶，施立發(fā)，裴英豪，陸天林，徐文祥，占云高

（馬鋼鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

冷軋無取向硅鋼（電工鋼）作為一種十分重要的磁性材料，因其良好的加工性能和磁性能能夠極大地提升電機效率[1]，在電子行業(yè)及電力系統(tǒng)方面都有極其廣泛的使用，主要用于變壓器、電動機、發(fā)電機和家用電器等，主要性能指標(biāo)是鐵損和磁感[2]。一般要求硅鋼具有低鐵損和高磁感，較低的鐵損可以使電機在工作時具有較低的能量損耗；較高的磁感應(yīng)強度可以增加電機的扭矩，具有減小電機體積的意義。低鐵損高磁感是冷軋無取向硅鋼制造追求的目標(biāo)[3]。影響無取向硅鋼鐵損和磁感的因素有多種，如化學(xué)成分，晶體織構(gòu)和生產(chǎn)工藝，對硅鋼成品性能的影響至關(guān)重要[4,5]。目前硅鋼市場對高牌號的需求逐漸增大，而高牌號薄規(guī)格硅鋼隨硅含量逐漸增加鐵損、磁感和低磁場下磁化性能變化情況的具體研究文獻較少。本試驗研究了不同Si 含量變化對薄規(guī)格無取向硅鋼的鐵損、磁感和低磁場下磁化性能影響，為高牌號產(chǎn)品性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

使用真空感應(yīng)爐冶煉不同Si 含量無取向硅鋼，鑄坯取樣檢測其主要化學(xué)成分如表1所示。鑄坯經(jīng)歷了以下工序：1180 ℃鍛造，1050 ℃熱軋，860 ℃?；? 道次冷軋及連續(xù)退火。熱軋目標(biāo)厚度為2.2 mm，冷軋目標(biāo)厚度為0.27 mm，連續(xù)退火溫度為950 ℃，時間為30 s，用90%的N2和10%H2作為保護氣氛。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分設(shè)計 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

退火、制樣后采用酒精擦拭、烘干，置于金相顯微鏡下進行樣品組織觀察。使用XRD 觀察樣品宏觀組織，將退火后的樣品加工成30 mm×300 mm 的單片，橫縱向各12 片，采用日本磁測儀SK300 檢測磁性能，分別在磁場強度為1.5 T 和1.0 T 下測試磁性能。成品制成金相和織構(gòu)試樣，采用ZEΙSS-200MAT 金相顯微鏡進行組織測試和采集，并測量平均晶粒大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅含量對退火組織影響規(guī)律

圖1 為試驗鋼退火后的組織，硅含量超過1.7%時，硅鋼片只會一直保持α相不變，在退火時冷軋板不會發(fā)生相變，只存在再次形核和晶粒長大。雖然晶體重新長大，但重新長大后的晶體和冷軋前的晶體已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化，二者都為等軸晶。從圖1 中可以看出不同Si 含量的硅鋼片在退火溫度950 ℃充分保溫下，晶粒均發(fā)生了比較充分的長大情況，且都為單一的鐵素體組織。

圖1 不同硅含量硅鋼退火后金相組織

圖2為硅鋼樣退火后平均晶粒尺寸大小，從圖2可以看出，在相同退火工藝下，樣品晶粒尺寸隨著硅含量的增加而增大，而均勻性則隨之變差，平均晶粒尺寸依次為74.2 μm、76.4 μm、78.0 μm。當(dāng)硅含量為2.82%時，晶粒尺寸最小，為74.2 μm；當(dāng)硅含量為3.23%時，晶粒尺寸最大，為78.0 μm。

2.2 硅含量對織構(gòu)的影響規(guī)律

圖3 為不同硅含量成品表面取向分布函數(shù)（ODF）Φ=45°截面圖，并對照Roe 系統(tǒng)中體心立方金屬的ODF 恒Φ=45°截面圖進行分析。由圖3 可以看出，c樣品中存在較強的γ纖維織構(gòu)，{111}＜112＞組分取向密度為6.0；a 樣品中的γ 纖維織構(gòu)相對較弱，有利織構(gòu)分布較為漫散。

圖3 成品表面織構(gòu)ODF(Φ=45°)

圖4 為不同硅含量成品表面取向密度分布圖，從圖中可以看出，c 樣品中的γ 取向密度明顯高于b樣品和c 樣品，γ 纖維織構(gòu)作為不利織構(gòu)，會直接影響到產(chǎn)品磁感。對比兩者織構(gòu)組成可以得出，a 樣品中有利織構(gòu)組分強度明顯處于優(yōu)勢，是成品具有較高磁感的主要因素，而c樣品中的較強的γ纖維織構(gòu)是其磁感較低的主要因素。

圖4 不同硅含量成品表面取向密度分布

2.3 硅含量對磁性能的影響規(guī)律

表2 為不同硅含量硅鋼在950 ℃下退火后的磁性能，從表中可以看出隨著硅含量的增加，鐵損和磁感均隨之降低。鐵損依次為2.38 W/kg、2.33 W/kg、2.23 W/kg，磁感B50依次為1.665 T、1.661 T、1.658 T。圖5 為不同硅含量硅鋼在950 ℃下退火后的磁性能變化。

圖5 不同硅含量對磁性能影響規(guī)律

表2 不同硅含量硅鋼退火后磁性能

2.4 硅含量對低磁場磁化性能的影響

為研究不同硅含量對樣品低磁場下磁化能力的影響規(guī)律，選用3 個樣品加工成300 mm×30 mm愛潑斯坦方圈，不同硅含量樣品先進行相同退火試驗，然后采用日本SK300 磁測儀檢測磁性能，樣品磁感B1（外加磁場120 A/m）分布情況如圖6 所示。由圖6 不同硅含量樣品磁化曲線表明，隨硅含量增加低磁場下的磁化能力增強，在外加磁場100 A/m下，c 樣品磁場強度為0.933 T，b 樣品磁場強度為0.915 T，a 樣品磁場強度為0.882 T。表3 為不同磁場強度下的磁感應(yīng)強度。

圖6 不同硅含量樣品磁化曲線

表3 不同磁場強度下的磁感應(yīng)強度（單位：T）

2.5 分析與討論

采用硅含量分別為2.8%、3.0%和3.2%的高牌號硅鋼，研究不同硅含量對成品組織、織構(gòu)和性能的影響規(guī)律。鐵損由磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗三部分組成，一般磁滯損耗和渦流損耗起主要作用。隨著晶粒尺寸的增大，晶界數(shù)逐漸減少，因晶界位錯等缺陷的聚集造成的磁阻較大現(xiàn)象也會隨之減少[6]，同時磁化時所需矯頑力也會減弱，導(dǎo)致磁滯損耗減少。但晶粒尺寸增大，磁疇尺寸會隨之增加，渦流損耗隨之增加。因而在合適的晶粒尺寸時鐵損會出現(xiàn)最小值。平均晶粒尺寸超過臨界值時，磁滯損耗減少量大于渦流損耗增加量，整體表現(xiàn)為鐵損降低。

磁感隨硅含量上升而下降，主要是由于影響無取向電工鋼磁感應(yīng)強度的主要因素是化學(xué)成分和晶體織構(gòu)。理想的晶體織構(gòu)為(100)[uvw]面織構(gòu)，增大（100）和（110）面晶粒比重，可以提高磁性。王荃等[7]通過研究表明無論Si含量降低與否，隨著Mn含量的增加，各面織構(gòu)占有率變化不大；當(dāng)Si 含量提高，對磁性有利的{100}和{110}面織構(gòu)占有率明顯增多，不利的{111}面織構(gòu)含量降低，磁感會隨之增加。退火組織晶粒尺寸與成分有密切的關(guān)系，在無取向硅鋼中，Si 有促進晶粒長大的作用，但晶粒的長大使均勻性變差不利于提高磁感。綜合原因，硅含量從2.82%～3.23%過程中，磁感出現(xiàn)減小的情況。

而硅鋼板的低磁場特性與磁疇壁移動的難易程度有關(guān)，主要與晶界、析出物、非金屬夾雜物、晶格缺陷、內(nèi)應(yīng)力等宏觀組織因素有關(guān)。晶粒尺寸大小對磁感也具有一定影響，與外加磁場大小有關(guān)。在弱磁場（如100 A/m）下，晶界對磁化難易的程度的影響占主導(dǎo)地位，晶粒越大，晶界越少，疇壁越少移動越容易，磁感也就越高；在強磁場（5000 A/m）下，晶體的織構(gòu)對磁化難易程度的影響占主導(dǎo)地位，晶粒越大，對磁化有利織構(gòu)越少，不利的織構(gòu)越多，磁疇移動越困難，磁感就越低。因此在強磁場下，隨著晶粒的粗化，磁感惡化，進而導(dǎo)致隨硅含量提升，晶粒尺寸增加，晶界減少，低磁場下磁化能力較強，而磁感較弱。

3 結(jié)論

（1）隨著硅含量從2.82%增加到3.23%，晶粒從74.2 μm增加到78.0 μm，均勻性卻隨之變差。

（2）隨著硅含量的增加，磁滯損耗減少，渦流損耗增加，鐵損P1.5/50和磁感B50降低。

（3）隨硅含量增加，晶界越少，低磁場下磁化能力增強。